時(shí)　磊，張曉亮，王　娜，鮑秀蘭

(1.河南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 南陽　473000；2.焦作師范高等?？茖W(xué)校 計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院，河南 焦作　454000；3.華中農(nóng)業(yè)大學(xué) 工學(xué)院，武漢　430070)

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計(jì)算機(jī)遠(yuǎn)程控制式玉米果穗干燥太陽能集熱裝置設(shè)計(jì)

時(shí)磊1，張曉亮2，王娜1，鮑秀蘭3

(1.河南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 南陽473000；2.焦作師范高等?？茖W(xué)校 計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院，河南 焦作454000；3.華中農(nóng)業(yè)大學(xué) 工學(xué)院，武漢430070)

摘要：為縮短玉米果穗的干燥制種時(shí)間及降低玉米果穗的干燥成本，充分利用太陽資源，設(shè)計(jì)了一種計(jì)算機(jī)遠(yuǎn)程控制式的小型太陽能集熱玉米果穗干燥裝置。裝置采用計(jì)算機(jī)局域網(wǎng)遠(yuǎn)程控制，實(shí)現(xiàn)了太陽能集熱器干燥裝置的風(fēng)機(jī)風(fēng)速調(diào)節(jié)，提高了玉米果穗干燥的自動化操作水平。為了實(shí)現(xiàn)該功能，本次研究基于 Pstools 工具包、Socket 網(wǎng)絡(luò)通信及遠(yuǎn)程喚醒技術(shù)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)一個(gè)局域網(wǎng)計(jì)算機(jī)遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有遠(yuǎn)程開關(guān)機(jī)和創(chuàng)建操作進(jìn)程等管理功能，大大提高了機(jī)械化生產(chǎn)的管理效率。最后，對傳統(tǒng)的干燥裝置和本文設(shè)計(jì)的玉米果穗干燥裝置的干燥效率進(jìn)行了測試。結(jié)果表明：本設(shè)計(jì)的太陽能集熱器干燥裝置最快降水率達(dá)到了0.132%，最短干燥時(shí)間僅為6.1h，滿足玉米果穗等農(nóng)產(chǎn)品的貯藏、制種干燥要求，為農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化生產(chǎn)機(jī)械的研究提供了理論參考。

關(guān)鍵詞：玉米果穗；干燥機(jī)械；遠(yuǎn)程控制；網(wǎng)絡(luò)通信；集熱器；風(fēng)機(jī)

0引言

在育種干燥工藝中，世界各國對種子干燥機(jī)械的研究極為重視，正向著低耗、高效方向發(fā)展。但是，由于干燥裝置往往過大，或者制造麻煩，影響了育種干燥的效果。因此，急需研究一種育種干燥機(jī)械裝置。該裝置可以有效提高干燥效率，具有節(jié)約能源、減少玉米果穗脫粒破碎率等特點(diǎn)并且可以降低生產(chǎn)成本；具有移動性能好，可以充分利用中國北方光照資源，且具有良好的通風(fēng)系統(tǒng)，可以完成自動化干燥作業(yè)。

目前，計(jì)算機(jī)已廣泛應(yīng)用于教育、醫(yī)學(xué)、軍事及資源勘探等眾多領(lǐng)域，且應(yīng)用領(lǐng)域還在不斷拓展。隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷仿真，局域網(wǎng)內(nèi)的遠(yuǎn)程控制技術(shù)越來越成熟，將局域網(wǎng)遠(yuǎn)程控制技術(shù)應(yīng)用在大面積育種干燥作業(yè)過程中，不僅可以實(shí)現(xiàn)育種干燥機(jī)械裝置的自動化作業(yè)，而且可以大大地提高育種干燥的工作效率。因此，將育種干燥機(jī)械有效地分布在大面積作業(yè)區(qū)域，提高機(jī)械化作用的靈活性，是玉米育種干燥機(jī)械裝置設(shè)計(jì)的一次創(chuàng)新。

1總體設(shè)計(jì)

玉米果穗干燥裝置太陽能集熱裝置的設(shè)計(jì)主要包括干燥機(jī)械裝置的設(shè)計(jì)和計(jì)算機(jī)遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。機(jī)械裝置的設(shè)計(jì)主要是依據(jù)干燥量的大小，干燥量主要取決于玉米果穗的平鋪面積和厚度；計(jì)算機(jī)遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)主要采用Pstools 工具包、Socket 網(wǎng)絡(luò)通信及遠(yuǎn)程喚醒技術(shù)，總體設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1　玉米果穗干燥裝置總體設(shè)計(jì)

為了優(yōu)化遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)，本次研究采用的是分布式節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)布控。分布式網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)不僅可以有效地降低能耗，而且可利用信號的快速傳輸。分布式網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的架構(gòu)如圖2所示。

為了實(shí)現(xiàn)分布式網(wǎng)絡(luò)的合理規(guī)劃，本文采用遺傳算法對網(wǎng)絡(luò)的布局進(jìn)行優(yōu)化，從而完成網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的選址和容量計(jì)算，其流程如圖3所示。

圖2　分布式網(wǎng)絡(luò)示意圖

圖3　分布式網(wǎng)絡(luò)遺傳算法優(yōu)化示意圖

其基本過程是首先輸入原始節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)，生成初始種群，對每個(gè)個(gè)體進(jìn)行優(yōu)化后判斷是否滿足最優(yōu)化條件：如果滿足則輸出結(jié)果；如果不滿足則進(jìn)行選擇、交叉和變異，生成新的網(wǎng)絡(luò)結(jié)果。

2機(jī)械結(jié)構(gòu)和網(wǎng)絡(luò)控制節(jié)點(diǎn)分布優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.1玉米果穗干燥太陽能集熱裝置機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

適用于玉米果穗分段干燥工藝的機(jī)械干燥裝置結(jié)構(gòu)主要由離心式風(fēng)機(jī)、風(fēng)機(jī)機(jī)架、玉米果穗及籽粒通風(fēng)干燥系統(tǒng)等組成，如圖4所示。

機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)主要是按照玉米堆的高度進(jìn)行計(jì)算的，一般玉米堆的高度在2m左右，1袋玉米穗的質(zhì)量一般為40kg左右，袋子長度按照0.65m、寬度按照0.35m、厚度按照0.25m計(jì)算。當(dāng)干燥量比較小時(shí)，裝置占用的面積并不大，可以按照側(cè)臥式的系統(tǒng)對裝置進(jìn)行設(shè)計(jì)，如圖5所示。

1.風(fēng)機(jī)支架　2.離心式風(fēng)機(jī)　3.主風(fēng)管　4.物料床輔助支撐

圖5　玉米穗干燥機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

玉米干燥機(jī)械的結(jié)構(gòu)初步設(shè)置為長度6.5m、寬度8.5m，主要由1個(gè)主通風(fēng)管和6個(gè)通風(fēng)支管構(gòu)成。其中，主通風(fēng)管具有足夠大的通風(fēng)面積，能夠有效地保證正常的送風(fēng)，且機(jī)械可以自由移動。

離心風(fēng)機(jī)將干燥的空氣通過主通風(fēng)管傳送到玉米穗干燥系統(tǒng)中，干燥的空氣在子分配系統(tǒng)中，傳送到物料床的底部，在底部向上運(yùn)動；干燥玉米和空氣會在溫度和濕度上產(chǎn)生很大的不同，從而可以加快玉米果穗水分的蒸發(fā)。利用紅外線儀器可以測量玉米果穗的含水率，對烘干效果進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，最終得到最好的干燥效果。

玉米的干燥過程分為兩步：一是將含水率在30%左右的玉米果穗降低水分到25%，然后將干燥后的果穗在干燥系統(tǒng)上進(jìn)行第2步操作，然后在自卸平臺上進(jìn)行脫粒操作；將清選后的玉米籽粒再進(jìn)行干燥，將其水分降低到15%左右時(shí)，停止干燥，進(jìn)行裝袋，最后存儲。

玉米果穗通風(fēng)干燥系統(tǒng)中設(shè)計(jì)有可自卸平置式物料床,如圖6所示。將玉米果穗和籽粒進(jìn)行裝袋后，將其擺放在物料床的頂部，物料床的設(shè)計(jì)尺寸和干燥空氣系統(tǒng)的占地面積基本相同。在物料床上安裝了鉸接結(jié)構(gòu)的主要支撐，共3組，分布在物料床長度的1/3處。在可自卸物料床上還裝有輔助支撐裝置，該裝置可以在物料床平面內(nèi)進(jìn)行選擇運(yùn)動，在限位銷的作用下，實(shí)現(xiàn)了玉米果穗和籽粒的自動裝載與卸貨。由圖6可以看出：通常兩物料床左、右端部與系統(tǒng)主風(fēng)管相搭接,在主要支撐構(gòu)件和輔助支撐構(gòu)件作用下，當(dāng)系統(tǒng)處于水平狀態(tài)時(shí)開始進(jìn)行干燥；當(dāng)干燥完成時(shí)，將輔助支撐進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，從而卸載了支撐結(jié)構(gòu)，物流床開始向一面進(jìn)行傾斜，最后玉米的果穗和籽粒都滑落到了車內(nèi)，自動卸載過程完成。

1.袋裝玉米果穗　2.主風(fēng)管　3.物料床d　4.袋裝玉米籽粒

2.2計(jì)算機(jī)遠(yuǎn)程控制局域網(wǎng)分布式結(jié)構(gòu)優(yōu)化

本文通過網(wǎng)卡實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制功能，首先將以字符形式表示的Mac地址轉(zhuǎn)換后存儲到byte型數(shù)組，數(shù)組各元素的值分別為 0x00、0x17、0x31、0x1C、0x93 和0x0F。將構(gòu)建好的 Packet 數(shù)據(jù)包發(fā)送給相應(yīng)的計(jì)算機(jī)主板，即可完成遠(yuǎn)程控制的操作，其中數(shù)據(jù)包內(nèi)容如圖7所示。

圖7　Packet 數(shù)據(jù)包內(nèi)容

為了優(yōu)化配置計(jì)算機(jī)遠(yuǎn)程控制的局域網(wǎng)絡(luò)，本次研究分布式網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)對局域網(wǎng)進(jìn)行規(guī)劃，并采用遺傳算法對局域網(wǎng)的輻射分布情況進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。為了實(shí)現(xiàn)局域網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化配置，采用遺傳算法對分布式節(jié)點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化，其基本過程如下：

1)計(jì)算待規(guī)劃局域網(wǎng)新增數(shù)據(jù)的總?cè)萘?，從而確定分布式節(jié)點(diǎn)的最大接入總量；

2)隨機(jī)生成一個(gè)初始群體；

3)對該群體中的所有個(gè)體進(jìn)行校驗(yàn)，如果所有的染色體對應(yīng)的方案中，各分布式節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)容量均小于或者等于相應(yīng)的數(shù)據(jù)容量，且總接入容量不大于步驟1)確定的結(jié)果，則該群體作為分布式節(jié)點(diǎn)的初始解，算法停止；

4)如果初始群體中存在不符合要求的染色體，則需要重新選擇，并進(jìn)行交叉變異操作，將不符合的染色體替換掉，直到所有的染色體都符合要求。

3玉米果穗干燥太陽能集熱裝置測試

為了驗(yàn)證本文涉及的計(jì)算機(jī)遠(yuǎn)程控制式玉米果穗干燥太陽能集熱裝置的有效性和可靠性，本文使用局域網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)了集熱裝置的遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)。其中，系統(tǒng)的功能主要包括遠(yuǎn)程關(guān)機(jī)和重啟、創(chuàng)建和結(jié)束進(jìn)程，這些功能都是基于Pstools工具包開發(fā)的，系統(tǒng)的靈活性較好，用戶可以進(jìn)行不同的參數(shù)設(shè)置，本次研究使用的主要執(zhí)行參數(shù)如表1所示。

表1　各應(yīng)用程序執(zhí)行參數(shù)

本次研究主要通過對進(jìn)程的設(shè)置，可以讀取和顯示溫度傳感器的溫度數(shù)據(jù)，根據(jù)傳感器溫度來調(diào)整風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，加速玉米穗的干燥過程。

圖8表示通過計(jì)算機(jī)遠(yuǎn)程控制調(diào)試，得到的溫度變化隨風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制的曲線。采用遺傳算法對控制節(jié)點(diǎn)進(jìn)行輻射狀分布優(yōu)化后，可以成功地實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的合理調(diào)控。由圖8可以看出：當(dāng)溫度逐漸升高時(shí)，風(fēng)機(jī)可以有效地將轉(zhuǎn)速提高。這是由于當(dāng)溫度升高時(shí)，干燥的效率會逐漸增大，裝置內(nèi)越來越多的濕氣需要被帶走，因此需要提高風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。

圖8　隨溫度變化風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制曲線

選用玉米種植主導(dǎo)品種金穗4號進(jìn)行試驗(yàn)。選擇含水量大約為30%(濕基)的玉米果穗進(jìn)行干燥試驗(yàn)，試驗(yàn)過程中，保持玉米果穗干燥系統(tǒng)的熱風(fēng)溫度在40～50℃之間，保持熱風(fēng)的通入速度為0.5m/s。試驗(yàn)時(shí)，使用玉米果穗太陽能集熱機(jī)械，并采用多次干燥的方法對玉米果穗和籽粒進(jìn)行反復(fù)干燥。

試驗(yàn)對兩種不同的干燥功率進(jìn)行了對比，對干燥過程不同籽粒的降水率和干燥時(shí)間進(jìn)行了測試，結(jié)果如表2所示。

表2　降水效率結(jié)果對比

由表2可以看出：通過8測干燥測試，使用本文的干燥裝置的干燥效率明顯偏高，從而驗(yàn)證了裝置的有效性和可靠性。

由表3可以看出：玉米種子收獲后在同等條件下，使用傳統(tǒng)的干燥裝置最低需要11.2h，而使用本文設(shè)計(jì)的玉米穗干燥裝置最低僅需要6.1h，干燥效率有了明顯的提高，大大降低了干燥所需時(shí)間，提高了玉米種子的育種質(zhì)量。

表3　聯(lián)合收獲機(jī)協(xié)同控制籽粒損失對比

通過對不同機(jī)械干燥裝置采用相同的試驗(yàn)方法進(jìn)行計(jì)算發(fā)現(xiàn)，采用本文的設(shè)計(jì)方法可以大大地降低干燥成本。本文設(shè)計(jì)的玉米干燥集熱機(jī)械裝置玉米果穗干燥除了上料、脫粒、精選、備載費(fèi)用與果穗傳統(tǒng)干燥機(jī)械基本相同外,其它如耗電、烘干等方面的費(fèi)用明顯降低。1t種子平均降水2%總成本節(jié)省2.22元,成本節(jié)省0.02元/kg,節(jié)省費(fèi)用約39.8%。

4結(jié)論

1)為縮短玉米果穗的干燥貯藏、制種時(shí)間及相應(yīng)干燥成本，充分利用無限的太陽能資源，開發(fā)了一種計(jì)算機(jī)遠(yuǎn)程控制式的玉米果穗干燥機(jī)械裝置。通過測試發(fā)現(xiàn)：該裝置性能穩(wěn)定，可以有效地提高干燥作業(yè)效率。

2)測試結(jié)果表明，本文設(shè)計(jì)的計(jì)算機(jī)遠(yuǎn)程控制式的玉米果穗干燥裝置，最快降水率達(dá)到了0.132%，最短干燥時(shí)間僅為6.1h，滿足玉米果穗等農(nóng)產(chǎn)品的貯藏及制種干燥要求。

3)本設(shè)計(jì)的玉米果穗太陽能集熱裝置雖然能夠滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要，但是仍然需要進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)，解決太陽能集熱器余熱問題。同時(shí)，需要進(jìn)一步開發(fā)自動化系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)玉米果穗干燥的大面積作業(yè)，進(jìn)一步提高玉米果穗的干燥效率。

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Design for Solar Heat Collection of Corn Drying Device Based on Computer Remote Control

Shi Lei1,Zhang Xiaoliang2,Wang Na1,Bao Xiulan3

(1.Henan Polytechnic Institute, Nanyang 473000,China; 2.School of Computer and Information Engineering,Jiaozuo Teachers College,Jiaozuo 454000, China; 3.College of Engineering,Huazhong Agricultural University,Wuhan 430070,China)

Abstract：In order to shorten the time for drying seed corn ear, reducing the cost of drying corn ear, the full use of resources, the design of a small solar a computer remote control type heat collecting corn ear drying device. The remote control device of computer local area network, the fan speed solar drying device for heat regulation, improve the level of automation of the corn ear drying. In order to realize the function, the study is based on the realization of a LAN of computer remote control system design Pstools kit, Socket network communication and remote wake-up, the system has a remote switch machine and create operation process management function, can greatly improve the production management efficiency. The drying efficiency and finally to the traditional drying device and the design of the corn ear drying device for testing, found that the design of the corn ear solar drying device for heat faster precipitation rate reached 0.132% by the test, the shortest drying time is only 6.1 hours, corn and other agricultural products to meet the requirements of the storage, seed drying, to provide a theoretical reference for the research of agricultural modernization of production machinery.

Key words：corn drying machine; remote control; network communication; collector; fan

文章編號：1003-188X(2016)03-0254-05

中圖分類號：S226.6

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

作者簡介：時(shí)磊(1980-),男，河南南陽人，講師，碩士。通訊作者：王娜(1980-),女，河南焦作人，講師，碩士，(E-mail)wangna0377@163.com。

基金項(xiàng)目：湖北省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(2014CFB322)

收稿日期：2015-04-09